トレーニング中の肺毛細管血液量、膜拡散能力、及び肺内動静脈吻合の評価

要約

運動に肺の拡散及び血管系の応答を評価するために、我々は、肺内動静脈吻合の動員を評価するために毛細血管の血液量および膜拡散能、ならびに撹拌生理食塩水のコントラスト心エコー検査を決定するために、複数の風の酸素拡散能力の技術が記載されています。

要約

エクササイズは、肺血管系への応力です。漸増運動により、肺拡散能（DL _CO）が増加した酸素の需要を満たすために増加しなければなりません。そうでなければ、拡散制限が発生する可能性があります。運動とDL _COの増加は、増加した毛細血管の血液容量（Vc）と膜拡散能（DM）によるものです。 VcとDmがそれによって肺動脈圧の上昇を減衰させる、ガス交換のための表面積を増大し、肺血管抵抗を減少させ、動員および肺毛細血管の膨張に続発増やします。同時に、運動時の肺内動静脈吻合（IPAVA）の募集は、ガス交換障害に寄与し、および/または肺動脈圧の大きな増加を防止することができます。

私たちは、安静時および運動時の肺の拡散と循環を評価するために2つの手法を説明します。第一の技術は、複数の-FRAを使用しています吸入酸素のction（F _I O _2）のDL _COの息は安静時および運動時のVcとDmとを決定するために保持しています。また、静脈攪拌食塩コントラスト心エコー検査はIPAVAs動員を評価するために使用されます。

代表的なデータをDL _CO、VC、およびDmは運動強度とともに増加することを示しました。コントラスト気泡が運動誘発性IPAVA動員を示唆し、運動と左心室に見られた一方で心エコーデータは、安静時の何IPAVA動員を示しませんでした。

肺毛細管血液量、膜拡散能、および心エコー法を用いて、IPAVA募集の評価は、肺動脈を持つものとして、罹患グループ内だけでなく、健康の練習のストレスに適応するための肺血管系の能力を特徴づけることが有用です高血圧症および慢性閉塞性肺疾患。

概要

運動中、心拍出量は、安静時の値¹以上の6倍まで増やすことができます。肺は心臓出力の100％を受信するための唯一の器官であることを考えると、運動は、肺系にかなりのストレスを提示します。漸増運動により、肺拡散能（DL _CO）が増加した酸素要求^2を満たすために増加しなければなりません。残りは運動をピークにより、DL _COは心拍出量^3、4、5に関して上限に達することなく、休止値の最大150％まで増やすことができます。拡散能力の増加は、容量（DM）および肺毛細血管⁶の募集及び膨張に対する二次毛細管血液容量（Vc）を、拡散膜の増加の結果として生じます。

・ラウトンとフォースター（1957）はDを分割する技術を開発しました一酸化炭素テスト（DL _CO）のための標準的な拡散能の間に吸入酸素（F _I O _2）の割合を調節することによって、mおよびVcを^7。酸素と一酸化炭素（CO）競合F _I O _2の増加はDL _CO ^8,9を減少させるように、ヘモグロビンのヘム部位に結合します。標準のDL _COの操作中にF _I O _2を調節_することにより、この関係はVcとDmと^7を測定するために利用することができます。我々は最近、運動⁵時に使用されるこの技術を適応しています。前作と同様に、我々はDL _COを連続的_に二次VcとDmと⁵の両方の増加に運動をピークにまで増加することを発見しました。興味深いことに、我々は、このように大きな酸素消費量と容量を拡散させるための大きな必要性を持っている持久力の訓練を受けた選手であることを見出しました、ピーク運動、増加しDmに二次ではなく、VCのDL _COの増加はアスリート⁵の肺膜における潜在的な適応を示唆している、そこにあります。

運動時のVcとDmの増加は、以前残り^4、10でハイポ灌流肺毛細血管の採用と膨満につながる肺動脈圧の上昇によって達成されています。これにより肺血管抵抗を減少させ、肺動脈圧の上昇を減衰させる、肺の毛細血管網の断面積の増加をもたらします。

攪拌生理食塩水のコントラスト心エコー検査を用いた研究は、運動^11、12、13の間に肺動静脈吻合（IPAVA）募集の証拠を示しています^、14。トピックは論争の^15、16のままで、IPAVA動員の重要性は未だ明らかではなく、いくつかの研究は、それらがガス交換障害^12,14に寄与し得ると右心室^11、12をアンロードするのに役立ち得ることを示唆しています。 IPAVA動員の正確なメカニズムは知られていないが、さらに、我々は、心拍出量を増加させること、ならびに外因性ドーパミンが残り¹⁷でIPAVA動員を引き起こすことを見出しました。急性増加肺動脈圧¹⁸またはドーパミン遮断はかなり運動¹¹の間にIPAVA動員に影響を与えるように表示されません。これらの大径IPAVA血管が肺動脈の大きな増加から肺毛細血管を保護するのに役立つかもしれないという憶測があります肺血管抵抗^12を小さくすることにより、圧力^{、17、19、20、21。}

VcとDmとの評価と組み合わせると、攪拌生理食塩水のコントラスト心エコー検査は、運動^22、23の応力に対する肺循環の適応を検討する貴重なツールです。

プロトコル

このプロトコルは、アルバータ大学の人間研究倫理委員会のガイドラインに従っており、 ヘルシンキ宣言の最新版で設定された基準に準拠しています。

1.傾斜運動テスト（VOの_2せん頭 ）

1. 被写体からの書面によるインフォームドコンセントを取得します。読んで主題を持っていると運動²⁴のために彼らの準備を決定するために、身体活動の準備アンケート+（PAR-Qの+）に記載されている質問に答えます。
2. 対象の好みに応じて、サイクルエルゴメーターの座面の高さを調整します。修正された四肢は、心拍数^{（HR）25を}測定するために導くと、標準の3誘導ECG配置に従って、患者の背面にある4つの心電図（ECG）電極を配置します。
3. 代謝測定システム^25を使用してテストを通して呼気ガスと換気を測定するために、被験者の口にマウスピースを挿入します。
   注：代謝システムは、リアルタイムの酸素消費量（VO _2）を測定する二酸化炭素生成（VCO _2）、換気（V _E）、心拍数（HR）、および潮のCO _{2（P ET} CO _2）を終了します。
4. ベースラインデータの収集の2分後、≥60RPMの一貫したリズムを維持するために、50ワットの最初のワークロードでサイクリングを開始するために、被験者に指示します。被験者は意志枯渇やテスト^25を停止する要求に到達するまでWは、2分ごとに、手順25でワークロードを増やします。

インスピレーションを受けて酸素の2.複数の画分（F _I O _2）拡散能（DL _CO）方法⁷

1. 30％、50％、70％、及びVO _{2せん頭が}段階的運動試験で得られたピークVO _2を用いて90％に相当する負荷を算出します。段階的運動負荷試験後少なくとも48時間は、対象の再を持っていますDLCO操縦のための研究室に向けます。
2. カルボキシヘモグロビン（COHb）がアップを構築する反復試験⁵で発生する可能性があります、一日あたり12 DLCOテストを超えないようにしてください。そのため、実施する運動のワークロードの数とDLCOデータの品質に基づいて、複数の日にテストを実行します。
3. エアブレンダーシステムに100％O ₂ガスのタンクと医療グレードの空気のタンク（21％O ₂および79％N _2）を取り付けることにより、プリ呼吸ガスを準備します。 2 60 Lの非拡散ダグラスバッグ、40％O _2、空気ブレンダーシステムを使用して60％のO _2を含むものを含むものを埋めます。
4. 吸入ガス混合物の調節を可能にする2大口径、三方活栓バルブを設定します。これらは、と呼ばれる「予備呼気弁」。
5. 柔軟性のある、非圧縮チューブを使用して、バルブシステムにダグラスバッグを接続します。双方向にバルブシステムを接続し、T字型の非再呼吸弁でCONN代謝測定システムの質量流量センサの試験ガス取入れアセンブリにected。
6. 測定を休んで、対象は床に両足で、直立座っています。運動試験では、被験者はECG（HR定常状態のための±3 BPM）を使用してHRを監視することにより、定常状態にあることを確認してください。
   注：定常状態はVOの_2せん頭の90％に到達することはできません。被験者が段階的運動試験上のVO _2せん頭の90％にHR相当に達すると、したがって、測定を開始します。
7. 指穿刺を介して毛細管血の一滴を収集し、ヘモグロビン濃度のためにそれを分析します。次に、以下の式^26を使用して^、[Hbの]ため後続のすべてのDL _COを調整します。
   
8. 所望の向きに予備呼吸バルブを切り替えることにより、ランダムにF _I O _{2（21％、40％、}または60％）を選択します。チュー（ 図1C参照）DL _COガスバルブセレクターを回して対応するF _I O ₂ -DLの_COガスをSE。
9. ノーズクリップを固定すると、それぞれのF _I O ₂に対応したダグラスバッグから5呼吸のためのマウスピースの中に普通に呼吸する対象を指示します。
10. 残留容量に期限切れになるように対象を指示します。残留量で肺容量のプラトーは、件名を持っている場合、肺の容量を合計し、残留容量に息を吐く前に6秒間息を保持するためのDL _COの混合ガスを吸い込みます。
11. これはCOテストガスがよく肺に平衡化されていることを示すように傾きが、水平であることを保証するために、呼気中にメタンのトレースを監視します。
    注：肺胞容積（V _A）と息止め時間が自動的に計算され、代謝測定システムによって報告されています。
12. 各DLCO操縦のためのV _Aが 5％Oの範囲内であることを確認してくださいF以前の試験。同様に、息止め時間は6.0±0.3秒であるべきです。ない場合は、操縦を繰り返します。
13. 残留一酸化炭素を洗い流すことができるように4分待ってから、手順2.8繰り返し-安静時に残りの各F _I O ₂のために2.11を。
14. 各F _I O ₂用の各運動強度（30％、50％、70％、およびVOの_2せん頭の90％）で、定常状態の間、2.15 -少なくとも48時間後に、繰り返しは2.9を繰り返します。息が被写体を回復するために、VO _2せん頭ワークロードの90％に保持している間に作業負荷を軽減します。
15. 運動中の肺胞COをクリアするには、運動中DLCOのテストの間に2分を待ちます。カルボキシヘモグロビン（COHb）ビルドアップ^5を回避するために、1日あたり12 DLCOテストを超えないようにしてください。

3.肺毛細血管血液量および膜拡散容量を計算します

1. O _{2（P A} O _2）を使用してfollowinの肺胞の分圧を計算しますグラム方程式
   
   注：F _I O _2は、インスピレーションO ₂の割合で、P _バーは大気圧であり、P _H2Oは水蒸気圧であり、P CO _2は、動脈CO ₂の圧力であり、RERは、呼吸交換率です。
2. 以前の段階的運動負荷試験で得られたデータから、それぞれの運動強度について測定し、30秒平均P _ET CO ₂とRERを使ってRERとPにCO _2を推定_します 。
3. 以下の式^7を使用して_^、θCOを計算_します 。
4. 各F _I O ₂ 1 / DLCOの_{影響調整後}および1 _/θCOとの関係をグラフ化し、回帰式を算出します。
   注：最小許容R ²値は0.95であり、r ²値がこの範囲²¹の外にあるときにDL _CO操縦は繰り返されるべきです。

図2：最大運動時1 _/θCO 対 1 / DL _COの代表的なグラフ。 3息は、様々なF _I O _{2（21％、40％、}および60％）で保持するために1 / DL _CO及び1 /θとの関係は_、COがプロットされています。 VcとDmとの計算は、上記の関係の回帰式から誘導されます。線の傾き（1 / 0.00796）の逆数がVC（125.5ミリリットル）の値、およびy切片の逆数を与える（1 / 0.00869）がDmのための値（115.0ミリリットル・分^-1・mmHgのを与えます^-1）。 LARを表示するには、こちらをクリックしてください。この図のGERバージョン。

5. 1 / DL _COおよび1 _/θCO間の回帰式の傾きの逆数を取ることによって、Vcとを計算します。方程式のy切片の逆数を取ることによって、Dmとを計算します。

4.肺内動静脈吻合募集

1. DL _COデータ収集とは別の日には、肘正中静脈に20ゲージの静脈内（IV）カテーテルを挿入し、コントラスト攪拌生理食塩水を注入するための6中のIV延長チューブを介して三方活栓に添付心エコー^11、17。

図3：攪拌生理食塩水のコントラストの設定。 IVカテーテルを肘前空間に配置され、6で拡張を介して三方活栓に接続されています。 2つの10 mLの注射器はです生理食塩水の10 mL及び室内空気を0.5mLを含んでコントラストソリューションを、作成するために、コックにtached。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

2. 三方活栓に2つの10 mLの注射器を接続します。超音波検査者がコントラストのために準備が整うまで罰金、中断気泡を形成するために、前後に2つのシリンジの間に、三方活栓を介して攪拌強制的に空気の0.5 mLを0.9％滅菌生理食塩水10mLのを組み合わせ、および。
3. 経験豊富な音波検査や心臓病専門医は、心臓の標準的な心尖部四腔像を取得しています。安静時、echocardiographerは、標準的な心エコーとカラードップラーイメージングと心臓内シャントのための心房中隔および心室中隔を評価しています。
   1. 何心臓内短絡が検出されない場合、コントラスト注入中バルサルバ法を行うために被験者に指示しイオンは、卵円孔開存^{（PFO）11、17}のために評価します。非バルサルバ中に測定を繰り返します。
4. 超音波検査者は4室ビューを維持しながらコントラストを注入します。右心室のコントラストを検出し、次の15の心周期を記録します。
5. 30％、50％、およびVOの_2せん頭の70％で定常運動中の造影撮影を繰り返します。定常状態のVO _2せん頭の90％に達することができないように、段階的運動負荷試験中のVO _2せん頭の90％でHRによって識別されたターゲットHR、一旦撮影を開始し、到達しました。
   注：運動強度との間の時間は両方の心室からコントラストのクリアランスに依存し、≥2分。
6. ^<前述したスコアリングシステム¹⁷に応じて攪拌生理食塩水のコントラスト心エコー図を解釈する実験条件に盲目にされechocardiographerを持っています/ ^SUP>、27。
   注：スコアリングは、コントラストの最大数に基づいて次のように、単心エコーフレームで左心室（LV）内で可視の泡：全くコントラスト= 0 LV内の気泡ない、≤3= 1,4泡 - = 2 12気泡、> 12泡= 3。
   注：5心臓サイクルの後に左心室のコントラストの外観はIPAVAを示唆しています。心臓内シャントが5つ未満の心臓サイクル²⁷のコントラストの出現によって等級分けされています。

図4：IPAVA得点するための代表的なイメージ。スケールを5cm（白い実線）です。 （A）前造影剤注入。 （B）IPAVAスコア= 0（C）IPAVAスコア= 1（D）IPAVAスコア= 3 Pリースこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

結果

容量、肺毛細血管の血液量、膜拡散能力、及びIPAVAスコアを、酸素消費の運動強度を増加させる拡散の効果を表1に示します。増加する電力出力に応じて、VO _{2、DL CO、Vc}は、Dmに増加。

図2は、運動中に複数のF _I O ₂ -DLの_CO技術を用いてVcとDmとの代表的な計算を示します。 DL _{COは、F I} O _2の増加と共に減少し、この関係はVcとDmとを分割するために利用されます。 Vcは1 / DL _CO 1 /θ対_CO結果の傾きの逆数を計算し、y切片の逆数は、DMの値が得られます。予想されるように、運動時VcとDmの増加の両方を休止値と比較します。

結果は、これらの技術は、運動時の肺血管系の応答を評価するために使用され得ることを示します。複数-F _I O ₂ DL _CO攪拌生理食塩水のコントラスト心エコー検査法は、全体の拡散容量に肺毛細血管と膜の採用の貢献、より深い理解と研究者を提供し、臨床設定において、伝統的な肺機能検査を補うことができます。運動中のVcのまたはDMを増やすに失敗すると、拡散限界と低酸素血症をもたらすであろう。例えば、低VCに二次低DL _COは肺の毛細血管への変更を示すであろう。同様に、減少しDmが肺膜への変化を示すことになります。

図4は、4室のコントラストechocardiographsの代表的なトレーシングを示しています。運動強度が増加すると、IPAVAは0から増加し（スコアすなわち、最高の運動強度（ 表1）で3に安静時IPAVAsの証拠なし）。以前の研究は、IPAVAは^{11、12、14の}スコア向上しますが、これらのIPAVAsが動員される方法は、何らコンセンサスが存在しないこと、運動を示しています。 IPAVAsはドブタミン^17、28及びエピネフリン²⁸で心拍出量を増加させることによって、ならびに、ドーパミン^17、28で静止して薬理学的に動員することができるという証拠があります。彼らは運動²⁹中に内因的に増加するなど、ドーパミン及びエピネフリンなどの強心剤は、特に重要です。また、IPAVA募集はIPAVAsの不在は大きな肺動脈圧をもたらすように表示されていることで、血行動態を行使することが重要であることをいくつかの証拠がある、Cを減少させましたardiac出力、およびピーク電力出力^12を減少^させ^ました 。したがって、この技術は、肺動脈高血圧症を有する個体を調査研究に使用されてもよいです。

図1：複数のF _I O ₂のDL _COのセットアップ。 （A）のセットアップの概要。 （B）0.3％CO、0.3％のメタン、および残りの窒素でO ₂ 21％、40％、および60％を含有する圧縮ガスシリンダー、ならびに酸素補給圧縮ガスボンベ。 （C）3 F _I O ₂ DL _COタンク用三方弁セレクター。 （D）バルブは、事前呼吸用F _I O ₂の選択のために直列に三方弁のために切り替えます。 LARを表示するには、こちらをクリックしてください。この図のGERバージョン。

表1：代表安静時と30時の運動中に一人の被験者のデータ、50、70、およびVOの_2せん頭の90％。 VO _2、体重への酸素消費量の相対量; DL _CO、一酸化炭素拡散能。 Vcは、肺毛細管血液量。 Dmと、膜拡散能。 IPAVAスコア、5心臓サイクルの後に左心室のコントラスト外観の得点。 Tedjasaputra らから変更されたデータ。 2016。

ディスカッション

この方法は、運動中の肺拡散能力及び肺内動静脈吻合の動員を評価することができます。

プロトコル内の重要なステップ

DL _COの息止めが静止して比較的単純であるが、それは直感に反しているとして、運動中の息止めは、対象に固有の課題を提示し、被験者が運動中に呼吸するため、高いドライブを持っています。このように、VcとDmとの良好な品質の決意は、テスターと被写体との親密な関係と明確なコミュニケーションに依存しています。テスターの技術力は歯槽ボリューム（前臨床試験の±5％）の変動および6.0±0.3秒の息止め時間（BHT）で定量することができます。

修正およびトラブルシューティング

VC / Dmの測定の終了時に、テスターはすぐに解除するために3のDL _COの操縦をグラフ化する必要がありますデータポイントの最良適合ラインtermine。 DL _COは常に60％とそれよりも大きいはずである40％、とのそれよりも大きいはずである21％F _I O ₂を用いて測定します。そうでない場合、バルブスイッチは正しいテストガスに相当するかどうかをチェックすることをお勧めします。同様に、事前呼吸バッグは、試験ガスに対応する正しいF _I O ₂ガス（ 図1B-1D）で満たされていることを確認してください。上昇COHbレベルはDLCOを過小評価することができるように、喫煙者である参加者をテストするときは注意が取られるべきです。

IPAVA動員の評価のために、対象の位置は、高品質の画像の取得を保証するのに重要です。被写体の動きを最小限に抑えるためにリカンベントサイクルエルゴメーターで直立サイクルエルゴメーターを交換することが可能です。しかし、横臥サイクル運動は、与えられた仕事率のために異なる代謝応答を誘発します、したがって、段階的運動負荷試験はする必要がありますリカンベントサイクルエルゴメーターに繰り返しました。胸の上部のスキャンは、いくつかの女性に不快かもしれません。この場合には、女性音波検査が推奨されます。最後に、推奨される運動プロトコルは若く、健康な個人のために設計されています。従って、運動プロトコルは、異なる標的集団のために変更することができます。

技術の制限事項

複数のF _I O ₂のDL _CO技術の主要な制限は、テスターのスキルやコマンドに従うこととバルサルバまたはミュラー管演習は、測定に影響を与えるように、息止め中に冷静さを保つために、被験者の能力です。第二に、息の数は、1回のセッションで保持しているが原因VcとDmを測定^5、30に影響^を与え、被験者への健康リスクをもたらす可能性のCO背圧の増加に、12に限定されるべきです。研究の設計に応じて、それがmAY COのクリアランスを可能にし、参加者の疲労を制限するために、複数のセッション間でのテストを完了する必要があります。 DLCO、VC、およびDmはそれぞれ、7％、8％、および15％であるために、良好な参加者コーチングと良い技術力で、我々は試験間の変動の十分な係数を決定しました。

複数のF _I O ₂のDL _CO技術は肺胞O _2が毛細管O ₂と同じであり、既知のガス交換障害を有する個体では、データを解釈するときにこのように、注意を払うべきであることを前提としています。

攪拌生理食塩水コントラスト心エコーイメージングは​​超音波検査技師の技術的能力や運動中胸郭の動きを最小限に抑えるために、被験者の能力によって制限されます。画像のインタプリタが確立された手順に従ってIPAVA動員をスコアリングするためのスケール（ 図4に精通していることも重要です>）27。運動中の正の生理食塩水のコントラスト心エコー検査の重要性が議論^15、16のトピックのままであり、いくつかの議論は、左心室における正攪拌生理食塩水のコントラストが毛細管膨満、およびないIPAVAの募集に二次的であってもよいことがあります。進行中の作業は、この問題を解決しようとしています。

既存の/代替の方法に対する技術の意義

これらの生理学的な技術を利用することにより、健康、疾患に、および薬物介入を含めた種々の状態、運動時の肺血管構造を評価することが可能です。品質はテスターの能力に依存していますが、これらのスキルは、簡単かつ迅速に適切な指導と訓練を取得しています。複数のF _I O ₂のDL _COの方法は、MEAの「ゴールドスタンダード」と考えられていますDmのとVcの³¹のsurement。これらの措置は、臨床的に計算されていないが、値は、患者の転帰を予測するために、低酸素血症、運動不耐性のためのメカニズムを決定するために使用することができ、さらに診断^31,32を特徴付けます。同様に、攪拌食塩心エコー検査技術はIPAVAsの動員を決定する際に最も広く用いられる方法です。

この技術を習得した後、将来のアプリケーションや方向性

これらの技術は、実験条件と介入の範囲での使用に適用可能です。我々は、運動中にこれらの技術を実証するが、それらは容易にそのようなドブタミンまたはドーパミン、心拍出量^17を増加^させること^が知られている強心剤として薬剤注入時の肺血管の応答を測定するために修飾することができます。また、例えば、臨床集団においてこれらの技術を使用することが可能ですDL _COは、年齢をマッチさせた対照被験者³⁵に比べて低くなっている心不全³⁴または慢性閉塞性肺疾患（COPD）を有するものです。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Metabolic Measurement System	SensorMedics Inc.	Encore 299 Vmax
Cycle Ergometer	Ergoline	Ergoselect II 1200
60L Douglas Bags	Hans Rudolph	6100 Series
Two-way T Valve	Hans Rudolph	2700 Series
Hemoglobin Measurement System	HemoCue	Hb 201+
22-gauge Intravenous Catheter	BD	Insyte-W
Ultrasound	Vivid Q	ECHOpac
Compressed gas 21% O2, 0.3% CO, 0.3% CH4, balance nitrogen	Praxair
Compressed gas 40% O2, 0.3% CO, 0.3% CH4, balance nitrogen	Praxair
Compressed gas 60% O2, 0.3% CO, 0.3% CH4, balance nitrogen	Praxair
Nose-clip	Vacu-Med	snuffer #1008